銅基粉末冶金剎車材料支撐背板表面鍍層對防滲碳性能的影響

曹文明，姚萍屏，周海濱，趙林，許良，肖葉龍

銅基粉末冶金剎車材料支撐背板表面鍍層對防滲碳性能的影響

曹文明，姚萍屏，周海濱，趙林，許良，肖葉龍

(中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長沙 410083)

采用3種具有不同表面鍍層的支撐背板(45#鋼)制備銅基粉末冶金剎車材料，對比研究表面鍍層對支撐背板防滲碳、抗熱疲勞以及支撐背板與摩擦材料結(jié)合性能的影響。結(jié)果表明：表面鍍Ni層不能防止加壓燒結(jié)時石墨墊板向支撐背板滲碳，而表面鍍Cu或鍍Cu+Ni均可有效防止支撐背板滲碳。在熱疲勞條件下，表面鍍Ni的支撐背板由于滲碳而導(dǎo)致強度和硬度提高，與銅基摩擦材料的結(jié)合強度較好，但容易出現(xiàn)翹曲和開裂；表面鍍Cu和鍍Cu+Ni的支撐背板均不易翹曲變形和開裂，其中鍍Cu支撐背板與摩擦材料的結(jié)合強度較差，表面鍍Cu+Ni的支撐背板與摩擦材料間的結(jié)合強度較高。

粉末冶金；剎車材料；支撐背板；表面鍍層；滲碳

銅基粉末冶金摩擦材料因具有良好的導(dǎo)熱性、較強的抗磨蝕能力和不易與對偶件發(fā)生粘結(jié)等特性，廣泛應(yīng)用于各種型號飛機的剎車裝置中[1?5]。銅基粉末冶金摩擦材料中的摩擦組元及潤滑組元通常為較大量的非金屬組分，可能影響摩擦材料的總體結(jié)構(gòu)強度。為提高剎車材料的耐沖擊能力，通常將銅基粉末冶金摩擦材料燒結(jié)于鋼質(zhì)支撐背板上形成雙層金屬結(jié)構(gòu)。在工作過程中，支撐背板對摩擦材料起支撐和保護作 用[6?10]。此種結(jié)構(gòu)對摩擦材料與支撐背板的結(jié)合強度以及支撐背板的塑性都提出了一定的要求，以避免使用過程中摩擦材料與支撐背板之間出現(xiàn)脫落和支撐背板斷裂的現(xiàn)象。鐘志剛等[11]研究表明，選擇合適的燒結(jié)工藝參數(shù)可提高金屬陶瓷摩擦材料與支撐背板的結(jié)合強度。此外，還通常在摩擦材料與支撐背板間設(shè)計結(jié)合層，結(jié)合層包括支撐背板表面鍍層和過渡層。表面鍍層主要有鍍銅 (包括鍍銅再鍍鎳)、鍍鎳和鍍銀等3種，其作用除了防止背板氧化外，還能在燒結(jié)過程中阻止摩擦材料排出的氣體對支撐背板的腐蝕和增強支撐背板與摩擦材料的結(jié)合強度[12]。其中的鍍銀工藝中使用的氰化鍍銀溶液中含有劇毒的氰化物，不環(huán)保，且工藝復(fù)雜，不提倡使用。過渡層可減少鋼背滲碳, 降低鋼背脆性，增強摩擦片與鋼背的結(jié)合強度，但隨過渡層厚度增加，結(jié)合層的抗熱疲勞性能下降[13]。袁國洲等[14]研究表明，對摩擦材料的支撐鋼背表面鍍鎳或者鍍銅再鍍鎳，熱疲勞試驗后鍍層處都未產(chǎn)生熱疲勞裂紋。前人的研究主要側(cè)重于提高支撐背板與摩擦材料的結(jié)合強度，本研究選用具有不同表面鍍層的支撐背板，研究Ni、Cu和Cu+Ni這3種鍍層對加壓燒結(jié)過程中支撐背板防滲碳性能的影響，為銅基粉末冶金剎車材料在工程應(yīng)用中選擇合適的支撐背板表面鍍層提供參考。

1 實驗

1.1 原材料

鐵粉，粒度<75 μm，武漢金屬資源有限責(zé)任公司生產(chǎn)；電解銅粉和錫粉，粒度均<75 μm，重慶有研重冶新材料有限公司生產(chǎn)；硅鐵粉(粒度<75 μm)、錳鐵粉(粒度<75 μm)、硼鐵粉(粒度<250 μm)，湖南中興錳業(yè)粉體有限公司生產(chǎn)；鱗片石墨，粒度<150 μm，青島晟泰石墨有限公司生產(chǎn)；二硫化鉬(MoS2)，粒度為1.5～4.0 μm，上海華誼集團華原化工有限公司生產(chǎn)。

支撐背板采用45#鋼板，厚度為1.5 mm，碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.42%～0.50 %，鞍鋼新軋鋼股份有限公司生產(chǎn)。湖南華南光電(集團)有限責(zé)任公司采用電鍍法在支撐背板的2面制備3種不同鍍層，分別是：鍍Ni層，厚度10～20 μm；鍍Cu層，厚度10～20 μm；Cu+Ni復(fù)合鍍層，其中內(nèi)層為鍍Ni層，厚度20～25 μm，外層為鍍Cu層，厚度8～12 μm。支撐背板鍍層的截面形貌如圖1所示，可見鍍層與基體結(jié)合良好。

圖1 支撐背板鍍層的截面形貌

(a) Ni plating; (b) Cu plating; (c) Cu + Ni plating

1.2 材料制備

按照表1所列配方稱量各種原料粉末，加入適量航空煤油，用V型混料機混合6～8 h，然后在350～500 MPa 壓力下將混合料在鋼模中壓制成厚度約為10 mm的坯塊；將坯塊疊裝在支撐背板上，再將支撐背板的另一面與石墨墊板工裝貼合，放入加壓式鐘罩爐中，在H2氣保護下進行壓力燒結(jié)，燒結(jié)溫度為980～1 020 ℃，燒結(jié)壓力為7.9～8.5 MPa，保溫時間為3 h。最后隨爐水冷至100 ℃以下出爐，去掉石墨墊板，得到銅基粉末冶金剎車材料樣品。

表1 銅基摩擦材料配方

1.3 組織與性能表征

用LECO-CS600碳硫分析儀測定燒結(jié)后的支撐背板上與石墨墊板工裝貼合面的碳含量，取5個試樣進行測定，計算平均值。用標(biāo)樂MicroMet5104顯微硬度計測定支撐背板截面的顯微硬度，測試時用136°的正四面角錐金剛石壓頭，保壓時間15 s，載荷為100 N。利用Leica DM4000M金相顯微鏡觀察剎車材料的截面形貌，分析支撐背板與摩擦材料結(jié)合處的微觀組織。利用自制的剎車材料結(jié)合性能試驗裝置，采用三點彎曲法測定支撐背板與銅基摩擦材料的室溫彎曲結(jié)合強度[15]：即將樣品彎曲至摩擦材料開裂，用數(shù)碼相機觀察其開裂情況，如果摩擦材料層沒有與支撐背板分離，開裂發(fā)生在摩擦材料層內(nèi)，且支撐背板表面緊密黏結(jié)一層完整、連續(xù)的摩擦材料層，則表明支撐背板與摩擦材料的室溫彎曲結(jié)合強度較好。用SG2-7.5-10試驗爐測定剎車材料的抗熱疲勞性能：將燒結(jié)后的剎車材料試樣迅速加熱到800～900 ℃, 然后水冷，重復(fù)進行50次后，用數(shù)碼相機觀察支撐背板的變形開裂及摩擦材料與支撐背板的結(jié)合情況，以此表征剎車材料抵抗循環(huán)加熱和快速冷卻的溫度變化所產(chǎn)生熱應(yīng)力的能力和不同材料間的結(jié)合強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳含量和金相組織

實驗測得表面鍍Ni、鍍Cu和鍍Cu+Ni的支撐背板在加壓燒結(jié)后，與石墨墊板接觸一面的碳含量(C)分別為0.99%、0.38%和0.47%。鍍Ni的支撐背板表面碳含量明顯高于鍍Cu和鍍Cu+Ni的支撐背板，而支撐背板的原材料45#鋼的碳含量(C)為0.42%～0.50%。這表明在加壓燒結(jié)過程中，與鍍Ni支撐背板直接接觸的石墨墊板工裝中的碳擴散至支撐背板，發(fā)生明顯的滲碳現(xiàn)象，而鍍Cu支撐背板和鍍Cu+Ni的支撐背板滲碳不明顯。

圖2所示為加壓燒結(jié)后的鍍Ni支撐背板截面金相組織。由圖2可知，支撐背板的外表面(與石墨墊板貼合的表面)出現(xiàn)明顯的網(wǎng)狀滲碳體(FeC3)，且從支撐背板表面至內(nèi)部呈現(xiàn)3層不同的組織，最外層A區(qū)域為過共析組織：珠光體+網(wǎng)狀FeC3，見圖2(b)；中間B區(qū)域為共析組織：層片狀珠光體(P)，見圖2(c)；內(nèi)層C區(qū)域為亞共析組織：鐵素體+珠光體(F+P)，見圖2(d)。因為滲碳體中的碳含量最高，說明石墨墊板中的碳從鍍Ni支撐背板表面逐漸向內(nèi)部擴散，碳含量由外向內(nèi)逐漸降低。

圖2 鍍Ni支撐背板的截面金相組織

(a) Metallographic microstructure of back; (b), (c), (d) Metallography of area A, B and C in Fig.2(a), respectively

圖3所示為鍍Cu和鍍Cu+Ni支撐背板在加壓燒結(jié)后的截面金相組織。由圖3可知，具有這2種鍍層的支撐背板組織都較均勻，為亞共析組織：鐵素體+珠光體(F+P)。這表明鍍Cu和鍍Cu+Ni支撐背板均未發(fā)生滲碳現(xiàn)象，這與支撐背板表面碳含量分析結(jié)果一致。

根據(jù)C-Ni相圖[16]和C-Cu相圖[17]可知，C在Ni中的固溶度相對較高，尤其在亞穩(wěn)態(tài)條件下，C在Ni中的固溶度(摩爾分?jǐn)?shù))接近5 %(980～1 020 ℃)，而Cu幾乎不與C發(fā)生固溶。文獻[18]研究了石墨在燒結(jié)鋼中的行為，結(jié)果表明石墨開始活化溫度在1 000 ℃以上，隨溫度升高, 活化加快，1 100 ℃時活化程度最高，即意味著滲碳。本文的銅基粉末冶金剎車材料燒結(jié)溫度為980～1 020 ℃，處于石墨開始活化的溫度區(qū)間。因此，在加壓燒結(jié)過程中，石墨墊板中的碳原子穿過鍍Ni層向支撐背板擴散。而鍍Cu和鍍Cu+Ni支撐背板中的Cu層因?qū)的固溶度較低，可有效隔絕碳原子向支撐背板擴散而產(chǎn)生的滲碳行為。

2.2 顯微硬度

圖4所示為支撐背板從表面至內(nèi)層的顯微硬度分布。由圖4可見，鍍Ni背板的表面硬度明顯高于鍍Cu背板和鍍Cu+Ni背板。結(jié)合前述碳含量和金相顯微組織分析可知，鍍Ni的支撐背板由于存在明顯的滲碳，導(dǎo)致晶界處析出連續(xù)的網(wǎng)狀滲碳體，C在Ni中形成固溶體，起固溶強化作用，因此鍍Ni背板的表面硬度相對較高。鍍Cu+Ni支撐背板的表面硬度高于鍍Cu背板，是因為Cu與Ni形成了Cu-Ni固溶體，導(dǎo)致強度與硬度提高。鍍Cu支撐背板由于Cu幾乎不與C發(fā)生固溶，且Cu本身硬度較低，所以背板表面的硬度較低。3種鍍層的支撐背板顯微硬度均呈現(xiàn)從背板表面至內(nèi)層逐漸降低的趨勢，在接近支撐背板內(nèi)層，即與摩擦材料接觸界面處，3種支撐背板的顯微硬度趨向一致，說明石墨墊板中的碳是從支撐背板表面逐漸向內(nèi)部擴散。

2.3 結(jié)合強度

圖5所示為銅基粉末冶金剎車材料室溫彎曲試驗后的表面形貌(數(shù)碼相機照片)。由圖5可見，具有不同表面鍍層的支撐背板，在室溫彎曲破壞后背板表面均緊密黏結(jié)著一層完整連續(xù)的摩擦材料層，說明3種不同鍍層的支撐背板與摩擦材料的結(jié)合強度均較好。同時還發(fā)現(xiàn)，剎車材料的彎曲破壞是發(fā)生在摩擦材料中，而非摩擦材料與支撐背板的結(jié)合面，說明支撐背板與鍍層間的結(jié)合強度及鍍層與摩擦材料的結(jié)合強度均大于摩擦材料本身的強度。表2所列為文獻[13?14]中的剎車材料各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能。從表2可知，銅基摩擦材料的抗拉強度(10～30 MPa)比鍍Ni層的抗拉強度(270～300 MPa)和鍍Cu層的抗拉強度(180～200 MPa)低，銅基摩擦材料的抗彎強度(100～140 MPa)比鍍Ni層抗彎強度(600～700 MPa)和鍍Cu層抗彎強度(400～450 MPa)也小很多。因此，剎車材料的室溫彎曲破壞不是發(fā)生在鍍層與背板之間以及背板與摩擦材料之間的結(jié)合處，而是在銅基摩擦材料中產(chǎn)生和 擴展。

圖3 鍍Cu和鍍Cu+Ni支撐背板截面金相組織

(a) Microstructure of Cu plated steel back (b) Microstructure of steel back in Fig.3(a);(c) Microstructure of Cu+Ni plated steel back; (d) Microstructure of steel back in Fig.3(c)

圖4 支撐背板的顯微硬度分布

2.4 抗熱疲勞性能

圖6所示為銅基粉末冶金剎車材料熱疲勞試驗后支撐背板表面局部形貌(數(shù)碼相機照片)。從圖6(a)看出，支撐背板表面鍍Ni的剎車材料在熱疲勞試驗后，鍍Ni層局部發(fā)生脫落，背板出現(xiàn)翹曲和開裂，并且背板與摩擦材料局部產(chǎn)生分離；從圖6(b)可見鍍Cu的支撐背板表面鍍層脫落嚴(yán)重，背板發(fā)生一定程度翹曲變形，未開裂，但支撐背板與摩擦材料已完全分離，說明在熱疲勞試驗條件下，鍍Cu背板與摩擦材料的結(jié)合強度最差；由圖6(c)可知，鍍Cu+Ni的支撐背板表面鍍層也有一定程度脫落，背板發(fā)生輕微翹曲變形，未開裂，且與摩擦材料局部產(chǎn)生分離。銅基粉末冶金剎車材料在熱疲勞試驗過程中受循環(huán)熱應(yīng)力作用，熱疲勞斷裂通常發(fā)生在由某種原因引起的應(yīng)變集中部位。剎車材料由于各層材料的不同，會因溫度循環(huán)變化造成熱疲勞應(yīng)變集中，產(chǎn)生的應(yīng)變主要取決于各層材料的熱膨脹系數(shù)，從表2可知，鍍Cu層的熱膨脹系數(shù)最大，所以在鍍Cu層上由溫度循環(huán)變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力最大。鍍Cu支撐背板由于Cu層的抗拉強度比支撐背板小且所受熱應(yīng)力大，故熱疲勞裂紋在Cu層中萌生和擴展，逐漸形成穿透性裂紋，最終導(dǎo)致摩擦材料與支撐背板完全分離。

圖5 剎車材料室溫彎曲實驗后的表面形貌

(a) Ni plated sample; (b) Cu plated sample; (c) Cu+Ni plated sample

表2 剎車材料各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能[13?14]

圖6 熱疲勞試驗后支撐背板的表面形貌

(a) Ni plated steel back; (b) Cu plated steel back;(c) Cu+Ni plated steel back

3 結(jié)論

1) 銅基粉末冶金剎車材料的45#鋼支撐背板表面鍍Ni，不能防止加壓燒結(jié)時石墨墊板向支撐背板滲碳，而表面鍍Cu或鍍Cu+Ni可有效防止支撐背板中滲碳。

2) 銅基粉末冶金剎車材料在循環(huán)加熱和快速冷卻的熱疲勞條件下，表面鍍Ni的支撐背板由于滲碳而導(dǎo)致強度和硬度提高，并且與摩擦材料的結(jié)合強度較好，但容易出現(xiàn)翹曲和開裂；表面鍍Cu和鍍Cu+Ni的支撐背板均不易翹曲變形和開裂，其中鍍Cu支撐背板與摩擦材料的結(jié)合強度較差，鍍Cu+Ni背板與摩擦材料間具有較好的結(jié)合強度。

[1] 姚萍屏. 高性能粉末冶金制動摩擦材料[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2016.YAO Pingping. High-performance Powder Metallurgy Friction Materials[M]. Changsha: Central South University Press, 2016.

[2] 周海濱, 姚萍屏, 肖葉龍, 等. 銅基粉末冶金摩擦材料特征摩擦組元與基體的界面形成及磨損機理[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2016, 26(2): 328?336. ZHOU Haibin, YAO Pingping, XIAO Yelong, et al. Interface formation and wear mechanism between characteristic friction components and base components of Cu-based powder metallurgy friction materials[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(2): 328?336.

[3] 肖申榮, 何林. 摩擦材料及其制品生產(chǎn)技術(shù)[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2010: 22?23. XIAO Shenrong, HE Lin. Manufacturing Technology of Friction Material and its Products[M]. Beijing: Peking University Press, 2010: 22?23.

[4] 姚萍屏, 熊翔, 黃伯云. 航空剎車材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 粉末冶金工業(yè), 2000, 10(6): 34?37. YAO Pingping, XIONG Xiang, HUANG Baiyun. Present situation and development of powder metallurgy airplane brake material[J]. Powder Metallurgy Industry, 2000, 10(6): 34?37.

[5] 楊永連. 燒結(jié)金屬摩擦材料[J]. 機械工程材料, 2000, 31(1): 98?99. YANG Yonglian. Sintered metal friction materials[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2000, 31(1): 98?99.

[6] 鐘志鋼, 鄧海金, 李明, 等. Fe 含量對Cu 基金屬陶瓷摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J]. 材料工程, 2002(8): 17?19. ZHONG Zhigang, DENG Haijin, LI Ming, et al. Effect of Fe content on friction and wear properties of Cu-ceramet friction materials[J]. Journal of Materials Engineering, 2002(8): 17?19.

[7] 劉伯威, 樊毅, 張金生, 等. SiO2和SiC 對Cu-Fe基燒結(jié)摩擦材料性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2001, 11(1): 110? 113. LIU Bowei, FAN Yi, ZHANG Jinsheng, et al. Effect of SiO2and SiC on properties of Cu-Fe matrix sintered friction materials[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2001, 11(1): 110? 113.

[8] TJONG S C, LAU K C. Tribological behavior of SiC particle reinforced copper matrix composites[J]. Materials Letters, 2000, 43(5): 274?280.

[9] 姚萍屏, 盛紅超, 熊翔, 等. 壓制壓力對銅基粉末冶金剎車材料組織和性能的影響[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2006, 11(4): 239?243. YAO Pingping, SHENG Hongchao, XIONG Xiang, et al.Effect of compaction pressure on microstructures and properties of Cu-based P/M brake materials[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2006, 11(4): 239?243.

[10] ASIF M, CHANDRA K, MISRA P S.Characterization of iron based hot powder brake pads for heavy duty applications[J].International Journal of Mechanical and Materials Engineering, 2013, 8(2): 94?104.

[11] 鐘志剛, 鄧海金, 李明, 等. 銅基金屬陶瓷摩擦材料與鋼背的結(jié)合強度研究[J]. 粉末冶金技術(shù), 2002, 20(3): 158?161.ZHONG Zhigang, DENG Haijin, LI Ming, et al.Study on the bond strength between Cu-based ceramet friction material and steel backing[J].Powder Metallurgy Techonology, 2002, 20(3): 158?161.

[12] 郭廷瑋. 金屬材料的高溫強度[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1983: 22?35.GUO Tinwei. High Temperature Strength of Metallic Materials [M]. Beijing: Science Press, 1983: 22?35.

[13] 袁國洲, 劉華一. 粉末冶金航空剎車材料過渡層功能的研究[J]. 湖南冶金, 1993(5): 10?12. YUAN Guozhou, LIU Huayi. Study on transition layer of powder metallurgy brake materials[J]. Hunan Metallurgy,1993, 5(9): 10?12.

[14] 袁國洲, 劉華一. 粉末冶金摩擦材料及對偶材料支承鋼背鍍層的研究[J]. 湖南冶金, 1999(1): 10?13. YUAN Guozhou LIU Huayi. Study on coated layer of supporting steel back of powder metalurgical friction material and rotator material[J]. Hunan Metallurgy, 1999, 1(1): 10?13.

[15] 費多爾欽科, И М. 現(xiàn)代摩擦材料[M]. 徐潤澤, 譯. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1983: 5?30. ΦЕДОРЧЕНКО И М. Modern Friction Material[M]. XU Runze, Translate. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1983: 5?30.

[16] NATESAN K, KASSNER T F. Thermodynamics of carbon in nickel, iron-nickel and iron-chromium-nickel alloys[J]. Metallurgical Transactions, 1973, 4(11): 2557?2566.

[17] OKAMOTO H, MASSALSKI T B. Binary Alloy Phase Diagram [M]. OH, USA: ASM International, Materials Park, 1990: 1560? 1566.

[18] 印紅羽, 張華誠. 粉末冶金模具設(shè)計手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002.YIN Hongyu, ZHANG Huacheng. Design Manual of Powder Metallurgy Die[M]. Beijing: China Machine Press, 2002.

Effect of coating on steel back of Cu-based powder metallurgy brake materials on carburizing resistance

CAO Wenming, YAO Pingping, ZHOU Haibin, ZHAO Lin, XU Liang, XIAO Yelong

(Powder Metallurgy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

Three kinds of steel back (45#steel) with different surface coatings were used to prepare Cu-based powder metallurgy brake materials. The effects of surface coatings on the anti carburizing and thermal fatigue resistance of the steel back and the bonding properties between the steel back and friction materials were studied. The results show that Ni coating on the surface can not prevent the carburization of the graphite backing plate to the steel back during pressure sintering, while the surface plating of Cu or Cu + Ni can effectively prevent the carburization of the steel back. Under the condition of thermal fatigue, the strength and hardness of the steel back coated with Ni are improved by carburizing, and the bonding strength with friction material is good, but it is easy to warp and crack. The back plates coated with Cu and Cu + Ni are not easy to warp, deform and crack. The bonding strength between Cu plated back plate and friction materials is poor. The bonding strength between the steel back coated with Cu + Ni and the friction material is good.

powder metallurgy; brake material; steel back; surface coating; carburizing

TG142.1

A

1673-0224(2020)06-538-07

國家自然科學(xué)基金資助項目(51475476)

2020?10?16；

2020?11?08

姚萍屏，教授，博士。電話：0731-88836614；E-mail: ppyao@csu.edu.cn

(編輯 湯金芝)